[发明专利]一种时间-惠勒延迟选择演示装置和演示方法

说明书

本发明涉及一种时间‑惠勒延迟选择演示装置和演示方法，将惠勒延迟选择实验的论证扩展到由大质量粒子和无质量光子组成的混合系统，主要是基于冷原子的拉曼量子存储实现了把宣布式单光子分为原子集体激发和泄漏脉冲的叠加，从而实现了分束器的作用。另外，通过改变量子随机数发生器的相对比例、第二个存储器型分束器的存储效率以及两个存储器型分束器的相对存储时间，可以实现分束器的比例可调性，从而展示了光的波粒互补性；此外，时间马赫泽德干涉可以在单模光纤中同时合并两条路径，从而极大地简化了实验配置，提供了一种结构新颖、易于构建、抗干扰性强的时间‑惠勒延迟选择演示装置和演示方法。

技术领域：

本发明涉及一种基于冷原子量子存储的时间-惠勒延迟选择演示装置和演示 方法，属于光信息技术和量子信息技术领域。

背景技术：

从十七世纪开始，人们对光本质的思考一直存在两个尖锐对立的矛盾学说： 以牛顿为代表的粒子学说和以惠更斯为代表的波动学说，十九世纪六十年代，麦 克斯韦建立了光的电磁理论，证明光是一种电磁波。1905年，爱因斯坦发展了 光的量子理论并成功解释了光电效应，光的本性又引起了人们的重新思考。波尔 提出，波动性和粒子性是互补的，探测结果会决定这个离子表现出波动性还是表 现出粒子性。

光的波粒互补性是量子世界中最奇特的现象之一，惠勒著名的延迟选择实验 证明了量子物理学中的波粒二象性或互补性，其中光的行为由测量选择决定违反 了人们的直觉。科学家们已经通过各种实验在线性光学系统、核磁共振以及集成 光子体系中研究了延迟选择实验，到目前为止，所有相关实验都是通过无质量的 单光子或诸如原子之类的大颗粒来证明惠勒的想法，但是，尚无利用光子和原子 组成的混合系统证明波粒互补性的报道。为了很好地理解宏观系统的玻尔互补原 理，对大质量粒子(例如亚稳态氢原子，具有中子和原子的自旋干涉)的波粒互 补性的研究吸引了人们的兴趣，这也在不同原子自旋激发的波-粒叠加实验中有 一定的应用前景。

发明内容：

本发明的目的在于设计一种结构新颖、易于构建、抗干扰性强的时间-惠勒 延迟选择演示装置和演示方法，对光的波粒互补性进行演示和验证，将惠勒实验 的论证扩展到由大质量粒子和无质量光子组成的混合系统，这在其他实验中从来 没有检测过。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的一个方面，提供了一种时间-惠勒延迟选择演示装置，包括：

第一二维磁光阱1a，用于在自发四波混频过程产生斯托克斯光子和反斯托 克斯光子，所述斯托克斯光子为第一光信号2a，所述反斯托克斯光子为第二光 信号2b，所述第一光信号2a和所述第二光信号2b沿相反方向从所述第一二维 磁光阱1a中出射，所述第二光信号2b通过第一凸透镜3a收集到第二单光子计 数模块4b中被检测到，所述第一光信号2a通过第二凸透镜3b被耦合到第一单 模光纤5a中；

正交偏振的第一泵浦光6a和第二泵浦光6b沿相反的方向共线传播入射至所 述第一二维磁光阱1a中，用于产生所述自发四波混频过程，所述第一泵浦光6a 与所述第二光信号2b成一小角度夹角，所述第二泵浦光6b与所述第一光信号 2a成一小角度夹角；

第二二维磁光阱1b，经所述第一单模光纤5a传输后的所述第一光信号2a 通过第三凸透镜3c后先进入所述第二二维磁光阱1b，再从所述第二二维磁光阱 1b出来，经第四凸透镜3d后被耦合到第二单模光纤5b中；

第一耦合光束7a入射至所述第二二维磁光阱1b中，用于调节所述第一光信 号2a在所述第二二维磁光阱1b中的存储时间；

第三二维磁光阱1c，经所述第二单模光纤5b传输后的所述第一光信号2a 通过第五凸透镜3e后，先进入所述第三二维磁光阱1c，再从所述第三二维磁光 阱1c出来，通过第六凸透镜3f收集到第一单光子计数模块4a中被检测到；